生物醫(yī)學傳感器實驗教學的創(chuàng)新與探索

王 兆，黃 雷，付德剛

（東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院生物醫(yī)學工程專業(yè)國家級實驗教學示范中心，南京210096）

為適應我國生物技術的進步與醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化調(diào)整，高等院校對學生的創(chuàng)新能力和實際操作能力提出了更高的要求。對高等院校教育來說，如何在培養(yǎng)學生全面發(fā)展的同時更加聚焦學生創(chuàng)新能力與實踐能力的提升，成為擺在高校專業(yè)教育面前的現(xiàn)實問題。根據(jù)專業(yè)課教學特點往往是將與專業(yè)教學密切相關的、成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源，這樣可以較好地普及專業(yè)知識、培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)，但同時也限制了學生對最新成果的追蹤和認知，阻礙了學生邏輯思維和創(chuàng)新能力的提升。為此，許多高校都開展了多種多樣的教學改革，但更多的是針對理論教學，而實驗教學由于受到專業(yè)性質(zhì)、教師水平和教學平臺的限制，改革較為困難，成效不理想［1?3］。

本文著重分析以東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院主導的“生物醫(yī)學傳感器設計系列實驗”為試點，立足本科教學示范中心，依托生物科學與醫(yī)學工程學院生物電子學國家重點實驗室優(yōu)質(zhì)科研資源，將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為教學實驗，改革傳統(tǒng)課程及實驗課教學模式，消除理論與實際結合不緊密之弊端，成功實現(xiàn)專業(yè)課程中理論與實驗的相輔相成、齊頭并進，探索多學科融合教學的可行性。該新型實踐教學形式的創(chuàng)新對專業(yè)實驗教學體系的改革和發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。

1 生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系的構建

生物醫(yī)學工程醫(yī)學電子學專業(yè)本科階段的專業(yè)及專業(yè)基礎課程包含了“生物醫(yī)學傳感器設計”“醫(yī)學儀器”“醫(yī)學圖像處理”等多門課程。針對生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生，要求必須了解和掌握生物傳感器的基本結構、工作原理及應用領域，因此設置了“生物醫(yī)學傳感器設計”課程。該課程分為理論教學和實驗教學兩部分，理論教學為依據(jù)課本進行課堂講授，實驗教學為利用市場購置的現(xiàn)成的傳感器設計后繼數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。因為理論和實際結合度不夠，課程講授枯燥，進而影響學生對課程的理解和后續(xù)實驗的學習效果。因此，新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系構建迫在眉睫，分析新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系構建的專業(yè)基礎并進行內(nèi)容設計對教學改革實踐十分必要。

1.1 新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系構建的專業(yè)基礎

生物傳感器研究屬于非?；钴S的應用型研究和工程技術領域，它涉及生物信息學、生物芯片、生物控制論、仿生學、計算機等多門學科，是生物科學、材料科學以及電子科學的交叉領域，更是目前生物醫(yī)學技術中必不可少的一種先進檢測方法和手段（圖1）。

圖1 生物傳感器所屬的學科范疇Figure 1 The subject category of biomedical sensor

生物醫(yī)學傳感器課程一直依托于生物醫(yī)學工程國家級實驗教學示范中心，目前中心依據(jù)其自有的特色積極引入生物電子學國家重點實驗室科學研究平臺的前沿性科研成果，構建新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系［4］（表1）。東南大學生醫(yī)學院生物電子學國家重點實驗室在納米材料及仿真、生物傳感器的研究領域碩果累累，如近期基于微流控技術開發(fā)系列仿生螺旋纖維，并將其作為微彈簧用于心肌細胞收縮力學的傳感，在心臟芯片研究方面取得重要進展［5］。依靠這些平臺，可以實現(xiàn)將優(yōu)質(zhì)的科研資源轉(zhuǎn)化成為實驗教學資源，用科研成果強化實驗實踐教學體系，讓學生與前沿技術實現(xiàn)零距離。

表1 聯(lián)合教學中心和科研平臺構建的生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系Table 1 The biomedical sensor curriculum practice system constructed by joint teaching center and scientific research platform

1.2 新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系構建的主要內(nèi)容

1.2.1 新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系的設計

新型生物醫(yī)學傳感器課程體系設計包含以下內(nèi)容：（1）根據(jù)生物醫(yī)學傳感器課程知識框架，新型實踐體系縮減了理論課程課時，將相關理論知識學習變?yōu)闄C動靈活的翻轉(zhuǎn)課堂；（2）邀請學界精英走進課堂，將生物醫(yī)學傳感器相關的前沿知識介紹給學生，進一步拓展學生的眼界和知識面；（3）增加生物傳感器制備實踐環(huán)節(jié)，學生親自動手制備生物傳感器，這一環(huán)節(jié)設計的目的是讓學生對生物傳感器的工作原理及其制備過程及成品有感性認識；（4）根據(jù)課堂所學傳感器性能檢測方法等相關知識，自主設計的敏感材料或傳感器的性能檢測方案，摸索傳感器的性能并探討其在生物醫(yī)學領域中的應用；（5）結合電子電路、計算機技術、信號處理等知識，設計并制作可檢測人體生理信號的簡易小“儀器”。

此課程設計不但可以讓學生直觀深入了解傳感器的基本結構、工作原理等，而且還能鞏固課堂所學理論知識。最終學生面對自己辛苦實驗所得的“成果”會形成一定的成就感，增強后續(xù)課程學習的興趣和信心。

本實驗課程中的內(nèi)容引入國家重點實驗室教師的部分科研成果，其中有些成果基本成熟，有些結果尚處在實驗室階段未公開發(fā)表，但這并不妨礙學生的探究學習，相反更有利于讓學生認識了解科學研究的思維方式、實驗手段和分析過程等。后期自主設計制作后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分已經(jīng)進行四屆本科生實踐，思路和方案基本成熟。教師團隊由相關專業(yè)的教授和高級工程師等組成，任務分工明確。

1.2.2 新型生物醫(yī)學傳感器課程的兩個階段

（1）理論授課階段?翻轉(zhuǎn)式課堂。理論授課作為了解實驗課程基本原理和實驗流程的基礎，是順利開展好實驗教學的第一步，具有十分重要的作用。實驗教學的前提是理論知識必須扎實且能靈活應用。傳統(tǒng)的理論授課主要以教師教授為主，存在理論與實踐脫節(jié)的問題。因此，將理論知識穿插與實驗中，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式來完成知識點的學習，即將理論授課改為學生自學與課堂研討相結合的方式，變被動為主動。再結合科研前沿成果的講授，使學生的專業(yè)知識學習更全面，更具有現(xiàn)實意義［6?7］。

首先讓學生自學理論知識。第一步，學生通過自學傳感器基礎知識，初步掌握傳感器的基本特征如傳感器的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、性能指標、傳感器應用電路的組成、生物醫(yī)學傳感技術原理等。將所有重要知識點劃分為多個學習任務，下達給學生按任務進行學習。第二步是課堂研討階段。在課堂上，學生將通過文獻查閱等方式自主學習獲取的知識與同學和老師充分交流，任課老師在課堂中針對學生闡述的相關知識點進行查漏補缺、知識面拓展，同時通過課堂交流，也考察學生自學完成情況及對知識點的掌握程度。不同組之間通過交流和講述進行思維碰撞，交叉掌握其他各組的學習成果，再經(jīng)老師解答學生自學中存在的不解之處，進而鞏固和提高理論知識的學習，達到學生主動學習的良好效果。

其次向?qū)W生講解前沿技術及成果，以學生調(diào)研、課堂介紹和相關學科精英講授的形式依次展開。學院科研實驗室的科研技術成果介紹，既是與學科相關研究前沿的一次科普，也是與實驗課程息息相關的前沿技術的一次理論預熱，這樣將學科前沿知識與學院科研實驗室的成果進行了平穩(wěn)過渡，有利于讓學生了解傳感器發(fā)展最新動態(tài)，了解學院相關實驗室、學院教授們的科研方向，使得實踐階段學生在實驗進行中能更具指導性地進行科研成果轉(zhuǎn)化的探索［8］。

（2）實踐階段?科研成果轉(zhuǎn)化。實踐階段是生物醫(yī)學傳感器實驗課程的主體部分，包括“用于葡萄糖測定的電化學傳感芯片”“柔性傳感器的制備”“傳感器性能指標的檢測”“人體溫度計的設計”“睡眠呼吸監(jiān)測的設計”“脈搏信號檢測儀的設計”“血氧信號的檢測”“酒精含量的檢測”等具體實踐課程，重點培養(yǎng)學生實際動手操作能力。在實踐環(huán)節(jié)中增加生物傳感器制備，通過該環(huán)節(jié)讓學生自己制備柔性傳感器［9］、紙微流控分析芯片等生物傳感器［10］。以往的教學形式是由教師準備所需設備與材料，學生只需按部就班做即可。而本實驗課程教學形式相反，大部分實驗前置設備材料都需要學生在前期自學和課堂老師指導下自行制備。因為這些實驗所需設備器材多為實驗中心教師科研成果，所以指導教師可以有目的地將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗成果，且轉(zhuǎn)化層級減少，轉(zhuǎn)化效果較好。在實驗過程中自行設計制作實驗所需器材，是實驗綜合能力的體現(xiàn)，需要有良好的總體設計把控能力，并要求能夠在實驗的全過程中不停地分析與矯正實驗方向，保證實驗進度的完成和實驗的成功。

2 新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐成果

以生物醫(yī)學傳感器課程實踐體系為試點的科研成果轉(zhuǎn)化的探索，做到了“生物技術與材料綜合實驗中心”和“醫(yī)用電子技術實驗中心”相聯(lián)合，打破了生物科學與信息科學間的教學壁壘，成功建立了生物醫(yī)學傳感器實踐教學體系。經(jīng)過多屆學生的課程實踐檢驗，上述實驗教學改革對學生的自主分析、綜合設計和創(chuàng)新能力進行了鍛煉和提高，取得了良好的效果（表2）。通過該實踐環(huán)節(jié)的訓練，拓展了學生的眼界和知識面，也提升了科研創(chuàng)新及綜合設計能力。這一結果有力地證明了充分科學利用前沿性科研成果的優(yōu)良資源，將其轉(zhuǎn)化為實踐教學環(huán)節(jié)是實驗教學值得發(fā)展和改革的正確方向。

表2 生物醫(yī)學傳感器課程改革成果Table 2 Reform achievements of biomedical sensor course

3 新型生物醫(yī)學傳感器課程實踐的經(jīng)驗總結

3.1 基于“互聯(lián)網(wǎng)思維”的“翻轉(zhuǎn)課堂”

當前專業(yè)知識更新速度以秒計算，學習自由度顯著增加，大多數(shù)學習不再受到時間、空間及教師的限制，學習方法多樣，知識獲取越來越便捷、快速。雖然高校教學仍是大學生系統(tǒng)學習專業(yè)知識與技能的主要方式，但由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，高校逐漸失去對知識的壟斷。因此，運用互聯(lián)網(wǎng)思維改變信息獲取的途徑，轉(zhuǎn)變教學思維、改革教學方式才能適應當前的教學新形態(tài)。在理論授課階段實施“翻轉(zhuǎn)課堂”模式時，注意強調(diào)學生自主獲取信息能力的培養(yǎng)，真正做到由先教后學顛倒為先學后教，提升了課堂的質(zhì)量。與此同時，新的課堂模式對任課教師也提出了更高的要求，需要教師不斷擴充知識儲備，實時掌握學科研究進展，以應對學生們的各種“奇思妙想”，從而促進師生共同進步。

3.2 “跨界”教學要勇于探索

在單一學科中，將科研成果運用到教學實驗中較易實現(xiàn)，但有一定的內(nèi)容局限性，受眾面較窄。本次科研成果轉(zhuǎn)化實踐利用了學科融合的優(yōu)勢，將相關學科融合后進行實驗教學，實現(xiàn)了學科知識體系的“跨界”，同時令學科理論指導實驗進行“跨界”，使得知識體系容積增大，相關科研成果都可以并入教學實踐，使得原本僅靠單一學科理論無法支撐教學的綜合實驗能夠順利進行，達到了“1+1＞2”的效果。但是，學科融合是一項長期工程，靠小部分單一學科的師資力量難以構建，必須依靠多學科的“跨界”團隊進行周密合作，才能達到預期的效果。

3.3 科研成果轉(zhuǎn)化要落到實處

科研成果轉(zhuǎn)化是科教融合的一種有益探索，科教融合本身可作為科研成果到實際應用的催化劑。通過生物醫(yī)學傳感器實驗課程實踐的成功，我們總結經(jīng)驗，認為科研成果轉(zhuǎn)化工作要將成果和課程緊密結合，不能僅僅是為課程的更新而機械地結合，要探討和評估相關科研成果融入教學實踐的專業(yè)相關性和執(zhí)行可行性，通過不斷地在教學實踐中打磨，形成良性循環(huán)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源落到實處，并通過縮短科研成果到教學實踐的轉(zhuǎn)化時間，保證學生所學知識及時更新，實現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化價值最大化。

4 新型生物醫(yī)學傳感器實驗教學體系建立的意義

近年來，理工科高等院校教育非常注重實踐操作能力的培養(yǎng)，但專業(yè)課程的授課模式還是以傳統(tǒng)課堂教學為主，以教師為中心，學生被動接受［11］，目的是使學生建立固有專業(yè)知識體系。這種教學模式隨著教育的發(fā)展和時代的變化，其通用性空間逐步縮小，會使得知識與產(chǎn)業(yè)相脫節(jié)，上課動機唯學分化等弊端逐漸顯露。特別針對實踐操作要求高的實驗教學，這種傳統(tǒng)教學模式的不足之處更為凸顯。這也使得專業(yè)實驗教學模式的改革迫在眉睫。

首先，新課程體系改變了課堂教學模式。傳統(tǒng)的“黑板式”教學內(nèi)容偏重于理論知識的講授，對于帶有實際操作與探索未知屬性的實驗課教學來說，嚴重不匹配。在實驗教學中，如果只機械地羅列實驗內(nèi)容，則必然影響實驗教學的效果。現(xiàn)在我們運用“翻轉(zhuǎn)課堂”有效地解決了傳統(tǒng)教學模式的弊端，增加師生的互動交流、活躍課堂氛圍、取得了較好的教學效果。其次，新課程體系催化相關學科教學深度融合。在單一學科的發(fā)展趨勢不足以支撐實驗教學的跨越發(fā)展時，借力交叉學科、與現(xiàn)有教學相融合是一個創(chuàng)新性的思路。這種學科融合不是簡單的合并，而是深度交叉融合。本次探索中，生物醫(yī)學傳感器設計實驗實現(xiàn)了“生物材料”“醫(yī)學電子”“生物信息”“生物器件”等多方向的融合，使不同知識體系與實踐作用真正發(fā)揮于實驗教學當中，在理論支撐和實驗設計實施中進行全程支持，成為實驗課教學的有機組成部分，是實驗課教學、學科融合的有益探索。再次，新課程體系實現(xiàn)了前沿成果轉(zhuǎn)化。教師以經(jīng)過實踐驗證的科研成果來增強教學內(nèi)容的時效性，大大地豐富和拓展了教學內(nèi)容，使實驗教學更加貼近最新的科技前沿。這不是知識量上的累積，也不是教學內(nèi)容上無意義的堆砌，而是優(yōu)化固有的教學知識結構體系，使之更加符合專業(yè)的發(fā)展，最終改革已有的教學模式。

翻轉(zhuǎn)課堂、學科融合、科研成果轉(zhuǎn)化三者有機結合，共同促進了新課程體系的建立，這一模式對專業(yè)實驗課教學具有一定的指導和借鑒意義。